Récemment, avec le développement rapide des sciences et des technologies, l'application de la technologie LED dans les domaines de l'éclairage et de l'affichage s'est généralisée. Composant central de la technologie LED, son procédé de fabrication et ses performances ont suscité un vif intérêt.
L'objectif principal de la fabrication de puces LED est de créer une électrode de contact à faible impédance efficace et fiable, de garantir une faible chute de tension entre les matériaux de contact et de fournir un plot de connexion adapté, tout en maximisant le rendement lumineux. Le procédé de revêtement utilise principalement l'évaporation sous vide. Dans un environnement à vide poussé de 4 Pa, le matériau est fondu par chauffage par résistance ou par bombardement électronique. Ensuite, sous basse pression, le matériau se transforme en vapeur métallique et se dépose à la surface du semi-conducteur. On utilise généralement des alliages AuBe, AuZn et autres pour les métaux de contact de type P, et des alliages AuGeNi pour les métaux de contact côté N. La couche d'alliage formée par le revêtement doit être soumise à un procédé de photolithographie afin d'exposer la plus grande surface d'émission lumineuse possible, afin que la couche d'alliage restante réponde aux exigences des électrodes de contact à faible impédance et des plots de connexion. Une fois le procédé de photolithographie terminé, l'alliage est nécessaire, généralement réalisé sous protection H₂ ou N₂. Le temps et la température d'alliage sont déterminés en fonction de facteurs tels que les caractéristiques du matériau semi-conducteur et la forme du four d'alliage. Si un procédé d'électrode de puce, tel que le procédé bleu-vert, est utilisé, des procédés plus complexes, comme la croissance du film de passivation et la gravure plasma, doivent être ajoutés.
Lors de la fabrication de puces LED, de multiples liaisons ont un impact significatif sur leurs performances optoélectroniques. En général, une fois la production épitaxiale des LED terminée, les principales propriétés électriques sont quasiment finalisées. Bien que la fabrication de la puce ne modifie pas sa nature fondamentale, des conditions inappropriées lors du revêtement et de l'alliage peuvent entraîner des paramètres électriques médiocres. Par exemple, une température d'alliage trop élevée ou trop basse peut entraîner un mauvais contact ohmique, principale cause de la forte chute de tension directe VF lors de la fabrication des puces. Après la découpe, le bord de la puce est corrodé afin d'améliorer la fuite inverse. En effet, après la découpe de la meule diamantée, une grande quantité de poussière de débris reste sur le bord de la puce. Si ces débris adhèrent à la jonction PN de la puce LED, ils peuvent facilement provoquer des fuites, voire des pannes. De plus, un décapage insuffisant de la résine photosensible à la surface de la puce peut entraîner des problèmes tels que des difficultés de soudage des fils en face avant et des soudures à froid, ainsi que des chutes de tension importantes en face arrière. Dans le processus de production de puces, l'intensité lumineuse peut être efficacement améliorée en rendant la surface rugueuse et en la divisant en une structure trapézoïdale inversée.
Les puces LED sont classées en puces basse, moyenne et haute puissance selon leur puissance. Elles peuvent être classées en tubes simples, numériques, matricielles et décoratives selon les besoins des clients. La taille spécifique d'une puce dépend du niveau de production réel des différents fabricants, et il n'existe pas de norme unifiée. Tant que le processus est conforme à la norme, des puces plus petites permettent d'augmenter la production unitaire et de réduire les coûts, sans que les performances optoélectroniques soient fondamentalement modifiées. Le courant de fonctionnement d'une puce est lié à la densité de courant qui la traverse. Plus la puce est petite, plus le courant de fonctionnement est faible, et plus elle est grande, plus le courant de fonctionnement est élevé. La densité de courant unitaire est globalement similaire. La dissipation thermique étant un facteur clé sous courant élevé, l'efficacité lumineuse des puces haute puissance est inférieure à celle des puces faible courant. En revanche, l'augmentation de la surface de la puce et la diminution de sa résistance entraînent une diminution de la tension de conduction directe.
La surface des puces LED haute puissance courantes pour la lumière blanche disponibles sur le marché est généralement d'environ 40 mils. Une puce dite haute puissance correspond généralement à une puissance électrique supérieure à 1 W. Le rendement quantique étant généralement inférieur à 20 %, la majeure partie de l'énergie électrique est convertie en énergie thermique. La dissipation thermique des puces haute puissance est donc primordiale, ce qui nécessite une surface plus importante.
Le procédé et les équipements de fabrication des puces pour les matériaux épitaxiaux GaN sont très différents de ceux des GaP, GaAs et InGaAlP. Les substrats des puces LED rouges et jaunes ordinaires et des puces LED à quatre éléments haute luminosité utilisent des matériaux semi-conducteurs composés tels que GaP et GaAs. Ils peuvent généralement être transformés en substrats de type N, traités par photolithographie par voie humide, puis découpés en puces à l'aide de meules diamantées. La puce bleu-vert en GaN utilise un substrat en saphir. En raison de son isolation, il ne peut pas être utilisé comme pôle unique de la LED. Il est nécessaire de réaliser simultanément deux électrodes P/N sur la surface épitaxiale par gravure sèche, et des procédés de passivation sont également requis. La dureté du saphir rend sa découpe en puces difficile à l'aide de meules diamantées, et son procédé est plus complexe que celui des LED en GaP et GaAs.
Les puces à électrodes transparentes présentent des structures et des caractéristiques uniques. Une électrode transparente doit posséder deux propriétés : conductivité et transmission lumineuse. L'oxyde d'indium et d'étain (ITO) est actuellement largement utilisé dans la production de cristaux liquides, mais il ne peut pas servir de plot de soudure. Pour sa fabrication, il faut d'abord fabriquer une électrode ohmique à la surface de la puce, puis la recouvrir d'une couche d'ITO, puis plaquer un plot de soudure sur la surface de l'ITO. De cette façon, le courant provenant du conducteur peut être réparti uniformément entre chaque électrode de contact ohmique à travers la couche d'ITO. De plus, l'indice de réfraction de l'ITO se situe entre celui de l'air et celui du matériau épitaxial, ce qui permet d'augmenter l'angle de sortie de la lumière et le flux lumineux.
Avec le développement de la technologie LED à semi-conducteurs, l'éclairage, notamment les LED à lumière blanche, est devenu un domaine d'intérêt majeur. Cependant, les technologies clés des puces et de leur boîtier doivent encore être améliorées. L'avenir des puces est à la puissance élevée, à l'efficacité lumineuse élevée et à la résistance thermique réduite. Augmenter la puissance implique d'augmenter le courant consommé par la puce. La solution la plus directe consiste à agrandir la taille de la puce. Les puces haute puissance actuelles mesurent environ 1 mm × 1 mm et consomment environ 350 mA de courant. Cette augmentation du courant a aggravé le problème de dissipation thermique. La méthode de retournement de puce a permis de résoudre ce problème.
Les LED bleues utilisent souvent des substrats Al₂O₃, très durs et peu conducteurs thermiquement et électriquement. L'utilisation d'une structure positive engendre non seulement des problèmes antistatiques, mais aussi une dissipation thermique importante sous courant élevé. De plus, l'électrode frontale étant orientée vers le haut, elle bloque une partie de la lumière et réduit l'efficacité lumineuse. La technologie « chip-retourné » permet aux LED bleues haute puissance d'obtenir un rendement lumineux plus élevé que les technologies de packaging traditionnelles. Le procédé de fabrication courant de la structure « chip-retourné » consiste à préparer une puce LED bleue de grande taille avec des électrodes adaptées au soudage eutectique, puis à préparer un substrat en silicium légèrement plus grand que la puce, puis à y réaliser une couche conductrice d'or et une couche de fil conducteur (soudure à billes de fil d'or par ultrasons) pour le soudage eutectique. La puce LED bleue haute puissance est ensuite soudée au substrat en silicium à l'aide d'un équipement de soudage eutectique. Dans cette structure, la couche épitaxiale est directement en contact avec le substrat de silicium, dont la résistance thermique est bien inférieure à celle du substrat de saphir, ce qui résout efficacement le problème de dissipation thermique. Après retournement, le substrat de saphir est orienté vers le haut pour devenir la surface émettrice de lumière. Grâce à sa transparence, le problème d'émission de lumière est également résolu.
Les experts de l'industrie ont déclaré qu'avec les progrès continus de la science et de la technologie, la technologie des puces LED continuera d'innover et que les futures lampes LED devraient faire de plus grandes percées en matière de rendement élevé et de longue durée de vie, apportant plus de confort à la vie des gens.